Ablaatio

<< 2.1. Meteorit, tulipallot ja meteoriitit | Sisällysluettelo | 2.1.2 Meteorivanat >>

2.1.1 Ablaatio – meteorin loisto ja tuho

Meteoroidin massan kulumista sen ilmakehässä lennon aikana sanotaan ablaatioksi. Se ei ole yksi mekanismi, eikä ole ominaisuuksiltaan samanlainen erilaatuisille ja -kokoisille meteoroideille.

Ablaatiovaikutus syntyy jo yli 3 km/s (10 800 km/h) nopeudessa. Hitain mahdollinen meteoroidin ilmakehänopeus on 11,2 km/s eli ablaatio on väistämätön prosessi Maan ilmakehään saapuvalle kappaleelle.

Meteorin ablaatio on pyrolyysireaktio, jossa partikkelin pintamateriaalia hiiltyy, sulaa ja sublimoituu kuuman iskuaallon lämpösäteilyn vaikutuksesta. Meteoroidista sublimoituva hiili voi kuitenkin luoda meteoroidin ja iskuaallon väliin optisesti läpinäkymättömän kaasupatjan, eräänlaisen kaasumaisen lämpökilven, joka estää iskuaallon lämpösäteilyä kuumentamasta meteoria täydellä tehollaan. Tämä parantaa kappaleen mahdollisuuksia selvitä maanpinnalle asti meteoriittina. Meteoroidin pinnalta purkautuva kaasu myös suojaa sen pintaa, mutta samalla prosessi luonnollisesti myös kuluttaa meteoroidin massaa.

Kuva 2.1.1.1. Meteoroidi ilmakehän ulko-osissa.

Tunkeutuessaan suurella nopeudella ilmakehään kappaleeseen osuu yksittäisiä ilmamolekyylejä jo noin 150 km korkeudella. Ne irrottavat sen pinnalta molekyylejä ja atomeja (impignaatio, sputtering). Tämä ilmiö ei ole meteoroidin kannalta merkittävä.

Lennettyään muutamia kymmeniä kilometrejä alemmas meteoriin eteen kehittyy korkeapaineinen, kuuma (noin 1000–4500 °C) iskuaalto, jonka infrapunasäteily lämmittää voimakkaasti meteoroidin pintaa. Lämpöteho on hitaillakin meteoreilla satoja watteja neliösenttimetrille ja nopeilla jopa 20 kW/cm². Meteoroidin kineettistä liike-energiaa kuluu ilmakehään syöksyn alussa meteoroidin pinnan lämmittämiseen. Kun kappaleen pinta on saavuttanut ko. meteoriainekselle riittävän sublimaatiolämpötilan, meteoroidin kineettistä energiaa kuluu lähinnä lämpösäteilyyn ja sublimaatioon.

Kuva 2.1.1.2. Stardust-luotaimen näytekapselin paluu Maahan. Kuva: Nasa.

Ilmamolekyylit pommittavat edelleen jonkin verran molekyylejä irti partikkelin pinnasta. Kuumenneesta (jopa 50 000 °C) meteoriaineksesta irtoaa elektroneja ja plasmavana seuraa meteoria. Kappaleen pinnalta kaasuuntunut, tai sulanut sekä irronnut materiaali ajautuu meteorin taakse pyörteiseksi vanaksi (”vanaveteen”).

Meteoriin kohdistuu painevaikutuksen takia voimia, jotka litistävät kappaletta ja murtava siitä irti palasia. Lämpöshokki voi aiheuttaa myös termistä fragmentaatiota, eli kuumuuden aiheuttamaa murenemista.

Hajoavan meteorin osaset ajautuvat heti erilleen hypersoonisen jättövirtauksen reuna-aaltojen ulostyöntäminä ja synnyttävät erikokoisten kappaleiden muodostaman näyttävän meteoriryppään, joita voi joskus nähdä kirkkaan meteorin lennon loppuhetkillä. Meteoroidin hajotessa ablaatio kuluttaa pienet erilliset kappaleet vieläkin nopeammin loppuun. Mitä pienimassaisempi kappale, sitä helpommin ilmakehä sen pysäyttää ja yleensä tämä tapahtuu ennen 80 km:n korkeutta maanpinnasta.

Meteorin ”pään” maanpinnalle näkyvässä spektrissä voimakkaimmat emissiot ovat osaksi virittyneiden ilmamolekyylien aiheuttamia, mutta näkyvän valon aallonpituuksilla kontinuumisäteilykin on voimakasta, jos iskuaallon lämpötila ylittää n. 2000 °C. Kontinuumispektrin maksimi osuu nopeimmilla meteoreilla punaisen valon aallonpituuden tienoille ja hitaammilla, kylmemmillä, maksimi on lähi-infrapuna-alueella 1500–2000 nm:n tienoilla. Tämä osittain selittää, miksi hyvin pienimassainen meteoroidi tuottaa valona vain 0,01% kineettisestä energiastaan. Meteorin kontinuumisäteilyn pitkäaaltoista osaa voi havaita paitsi ilmakehän infrapuna-ikkunoiden kaistoilla, myös mikroaaltoradiometrillä. Himmeämmillä meteoreilla iskuaallon osuus meteorin säteilyssä ja spektrissä jäävät hyvin heikoiksi, mutta kokonaisuutena spektrissä silti havaitaan ilmakehän kaasujen spektriviivaemissioita.

Meteorin valokäyrässä ja varsinkin sen spektrissä voi ilmetä poikkeamia, jotka voivat olla fragmentaation aiheuttamia, mutta voivat myös johtua partikkelin sisältämien eri aineiden kaasuuntumisesta meteorin lennon eri vaiheiden aikana lämpötilan vähitellen noustessa. Jotkut alkuaineet kuluvat meteorista jo 120 km:n korkeudessa.

Meteoroidi hidastuu merkittävästi vasta aivan lentonsa loppuvaiheessa ilmakehän tiheyden kaksinkertaistuessa jokaista 5 km kohti. Hidastuvuusvoiman aiheuttaa partikkelin etupuolelle kehittyvä kaasun paine ja sen takana valitseva lähes tyhjiö.

Useimmiten kappaleen massa vähenee lennon loppua kohti kiihtyvällä tahdilla, mikä tuottaa monelle meteorille tyypillisen lennon loppua kohti nousevan valokäyrän. Rautameteoroidin valokäyrän on arveltu kirkastuvan heti lennon alussa ja hiipuvan hitaasti. Syvemmälle ilmakehään tukeutuvilla meteoreilla valokäyrä on usein kellokäyränomainen, jossa maksimi saavutetaan lennon keskivaiheilla ja tällainen valokäyrä on myös ilmakehän läpäisevillä lennon lopussa vapaan pudotuksen nopeuteen hidastuvilla kappaleilla, mm. Maahan palaavilla avaruusaluksilla.